A fabricação de componentes por meio da usinagem demanda cuidados na qualidade da produção a fim de que se produzam peças com acabamento superficial cada vez melhor, dentro das tolerâncias desejadas, visando baixo custo e alta produtividade. Falhas devem ser evitadas durante o processo por meio da determinação exata das condições de corte mais adequadas a uma determinada peça.

A condição final de uma superfície usinada é resultado de um processo que envolve deformações plásticas, ruptura, recuperação elástica, geração de calor, vibração, tensões residuais e, às vezes, reações químicas. Todos esses fatores podem ter efeitos diferentes na nova superfície. Sendo assim, o termo integridade superficial é utilizado para descrever a qualidade de uma superfície e, portanto, engloba um grande número de alterações sofridas por ela.

Dessa forma, o conceito de integridade superficial não pode ser definido apenas em uma dimensão e não abrange somente a textura da superfície ou a sua forma geométrica. Este termo abrange também outras características da superfície em serviço e de cama das abaixo destas.

Revisão bibliográfica

Segundo Dabade et al[2], o mecanismo de corte de ferramentas rotacionais é influenciado por parâmetros como o avanço, o diâmetro da pastilha e ângulo de inclinação. Com o aumento da inclinação do ângulo eleva-se o comprimento de contato e o raio efetivo de contato da pastilha também é aumentado, o que pode diminuir a rugosidade, pois esta é inversamente proporcional a esse raio de ponta.

Eletrodeposição do níquel na placa de cobre

O níquel eletro depositado tem sido amplamente utilizado na indústria de tratamento de superfícies principalmente como revestimento protetivo contra desgaste e oxidação no processo de lingotamento do aço, no qual é depositado sobre um substrato de cobre. O níquel não pode ser depositado por íons complexos, de forma que os banhos comerciais utilizam sais de níquel simples, com ânodos consumíveis. Em geral, a característica do depósito estaria ligada à sensibilidade ao pH da solução do eletrólito. Na prática, a faixa de pH que gera melhores resultados seria próxima de 4. O controle do pH, próximo a este valor, evitaria a co-deposição de hidróxido de níquel, o que eliminaria o risco de fragilização pela oclusão de hidrogênio na matriz de níquel [1].

O níquel suficientemente solubilizado para uma eletrodeposição seria viável apenas se o pH estiver abaixo de 6. O metal é eletrodepositado pela redução do potencial do substrato, a fim de permanecer no domínio de estabilidade do níquel.

A linha representando o potencial de equilíbrio para a evolução do hidrogênio está situada abaixo do potencial de equilíbrio do níquel se o pH for maior que 4,2; podendo depositar níquel sem a descarga de hidrogênio ainda assim dentro da faixa de pH 4,2 a 6. A prática operacional é realizada com tensões catódicas, e há evolução do hidrogênio sempre. Entretanto, para determinadas aplicações, como nanodepósitos, o aumento do pH traz benefícios, desde que adequadamente controlado, ocasionando melhoria nas características de tensão residual e tenacidade do depósito ^[4].

Niquelação ou niquelagem consiste no depósito de películas de níquel sobre um substrato. O processo deste trabalho converte o minério de níquel do ânodo em íons de níquel que penetraram o banho de galvanoplastia. Os íons descarregaram no cátodo (o objeto a ser revestido) e produziram uma camada de níquel metálico na superfície. A deposição de íons de níquel não é uma única reação possível, pois, de fato, uma pequena porcentagem da corrente é dissipada pela deposição de íons de hidrogênio. Isto pode reduzir o rendimento do depósito de níquel em aproximadamente 3 a 5% do que potencialmente poderia ser 100% se toda corrente fosse direcionada para depositar os átomos de níquel.

O hidrogênio depositado forma bolhas de gás na superfície do cátodo. Se a concentração de íons de hidrogênio estiver muito alta no banho (a medida de pH está baixa demais) o grau de evolução do hidrogênio aumenta e o depósito do níquel diminui.

A importância do estudo do cavaco

Os cavacos gerados nos processos de usinagem podem ser definidos como as porções de material da peça que são removidas pela ferramenta de corte. Sua formação

Figura 1 – Tanque de solução para imersão da peça

pode envolver altas temperaturas e elevadas taxas de deformação e, além dessas características, pode haver alguns fenômenos particulares, tais como o recalque, a aresta postiça de corte, a caraterização na superfície de saída da ferramenta e a formação periódica do cavaco (dentro de determinado campo de variação da velocidade de corte) Diversos problemas práticos têm relação com a forma do cavaco produzido na usinagem, já que esta tem implicações nas seguintes áreas[3]:

● Segurança do operador: cavacos longos em forma de fita podem, ao atingir o operador, machucá-lo seriamente.

● Possível dano à ferramenta e à peça: cavacos em forma de fita podem se enrolar à peça, danificando seu acabamento superficial. No caso da ferramenta, existe o risco de o cavaco ficar enrolado sobre a peça e tentar penetrar a interface peça-ferramenta, podendo causar sua quebra.

● Manuseio e armazenamento do cavaco: novamente, os cavacos longos em forma de fita são de difícil manuseio e requerem um volume muito grande para

Figura 2 – Centro de usinagem (a); placa de cobre niquelada montada na máquina (b); placas de cobre niqueladas usadas como corpo de prova (c); amostras dos cavacos de cobre e níquel (d) e (e); e amostras dos cavacos de níquel embutidos (f)

ser armazenado, se comparados com cavacos curtos e com o mesmo peso.

● Forças de corte, temperatura e vida da ferramenta: ao se procurar deformar mais o cavaco, visando aumentar sua capacidade de quebra, pode-se aumentar bastante os esforços de corte, com consequente aumento da temperatura e diminuição da vida da ferramenta. Segundo Ferraresi^[5], é possível provocar a mudança de forma do cavaco de diferentes maneiras:

● alterando as condições de usinagem;

● atribuindo uma forma especial à superfície de saída da ferramenta;

● colocando elementos adicionais na superfície de saída.

Ainda segundo o autor, o aumento da capacidade de quebra do cavaco, para materiais não demasiadamente tenazes, pode ocorrer pelo aumento da deformação do cavaco no plano de cisalhamento. Isso pode ser obtido com a diminuição do ângulo de saída e de inclinação da ferramenta, ou com o emprego de ambos com valores negativos e aumento da espessura de corte h e diminuição da velocidade de corte.

Materiais e métodos

Foram realizados ensaios preliminares de usinagem, a fim de detectar possíveis imprevistos do processo, bem como analisar os parâmetros usados nos corpos de prova. Com isso foi possível detectar quais fatores críticos influenciariam negativamente o processo.

Por meio dessa experiência, tornou-se possível a realização dos ensaios. Nessa segunda fase foi detectada a influência dos parâmetros de corte na integridade superficial. As medições foram focadas na operação de desbaste e semiacabamento, pois são as mais críticas. A escolha pela análise desses processos é justificada pelo tempo gasto no seu processamento, incluindo tempo de usinagem e acabamento final.

A quantidade de níquel que pode ser depositada é regida pelas leis da natureza dos materiais. Ela é determinada pelo produto da corrente (A = ampère) e o tempo (horas). Nas condições ideais, o fluxo de 1 ampère por hora deposita 1,095 gramas de níquel a 100% de rendimento do cátodo.

Com o peso do depósito utilizado, foi possível estimar a medida média da camada, uma vez que é conhecido o tamanho da área a ser revestida. Por exemplo, se 1,095 gramas de níquel são depositados num decímetro quadrado de área, a espessura do depósito será 12,29 micrometros. A espessura média é igual ao peso do níquel dividido pelo produto da área e a densidade do níquel.

Como uma porcentagem pequena da corrente foi dissipada pelo cátodo que descarregou íons de hidrogênio, o rendimento da deposição do níquel foi menor do que 100%. Foi necessário levar isso em consideração para estimar o peso e a espessura do depósito de níquel em condições de galvanoplastia. Na figura 1 (pág. 31) pode ser visualizado o tanque de deposição do níquel no substrato de cobre em meio ao seu eletrólito.

Foram utilizadas placas de cobre para serem niqueladas com dimensões 250 x 900 x 50 mm como corpos de prova. A máquina utilizada para o teste foi um centro de usinagem Romi Discovery 1250, a ferramenta utilizada foi uma fresa T-Max R220.53-0063- 12-5A, com 63 mm de diâmetro, fabricada pela Seco Tools.

A operação de desbaste teve a função de eliminar grandes distorções na superfície e prepará-la para o acabamento. Para todos os corpos de prova foram utilizados os mesmos parâmetros tecnológicos na operação de desbaste, tais como velocidade de corte, profundidade e avanço por aresta de corte. Isso foi feito para evitar uma possível variação da superfície após a operação de desbaste, o que poderia influenciar a operação final de acabamento.

A primeira operação de desbaste foi realizada em uma superfície plana, no sentido transversal e com uma ferramenta de topo contendo cinco arestas de corte indexáveis. Para está operação utilizou-se os seguintes parâmetros de corte: desbaste paralelo ao eixo X do movimento transversal, mantendo a profundidade sem alteração; rotação do eixo-árvore (n) = 850 rpm; velocidade de avanço (vf) = 200 mm/min; velocidade de corte (v c) = 168 m/min; avanço por aresta (fz) = 0,047 mm; profundidade de corte (ap) = 1,5 mm; diâmetro da ferramenta: 63 mm; arestas de corte = cinco; com refrigeração.

A segunda operação de desbaste foi realizada numa superfície plana, no sentido longitudinal e com uma ferramenta de topo contendo quatro arestas de corte indexáveis. Para esta operação utilizou-se os seguintes parâmetros de corte: desbaste paralelo ao eixo X do movimento longitudinal, incrementando-se 0,75 mm por passe no eixo Z (profundidade); rotação do eixo-árvore (n) = 1.200 rpm; velocidade de avanço (vf) = 500 mm/min; velocidade de corte (v c) = 130 m/min; avanço por aresta (fz) = 0,104 mm; profundidade de corte (ap) = 0,75 mm; diâmetro da ferramenta = 25 mm; arestas de corte = quatro; com refrigeração.

As figuras 2a, b, c, d, e e f (pág. 32) mostram a máquina utilizada e a placa usinada bem como os cavacos e as amostras de cavacos como foram obtidas. As figuras 3a, b, c, d, e e f (pág. 36) mostram as ferramentas utilizadas no processo de usinagem, incluindo suporte e pastilhas utilizadas nas geometrias específicas.

Resultados e discussão

Para mensurar o comprimento total percorrido pela ferramenta foi observada a trajetória de trabalho e a de retorno da ferramenta, conforme figura 4 (pág. 36).

As dimensões de trabalho da placa niqueladas utilizadas foram 904 x 270 mm, sendo 16 passes com o comprimento de 270 mm cada, com o avanço de trabalho (200 mm/min) e 15 passes de 275,80 mm com o avanço rápido (5.000 mm/ min) totalizando 4.320 mm no sentido do avanço de trabalho e 4.137 mm no sentido de retorno inclinado.

O tempo de usinagem (T_u) percorrido com a ferramenta usinando a 200 e 5.000 mm/ min, respectivamente, foi de 22,42 min. O tempo de usinagem das bordas da placa junto aos dados adicionais – tais como velocidade de corte de 400 m/min; avanço rápido de 5.000 mm/min; diâmetro do suporte de 25 mm – pela fórmula da velocidade de corte (3,14 x diâmetro x rotação)/1000 caracterizou o valor de rotação n = 1.209,57 rot/min (foi utilizado 1.200 rot/min).

Para determinar o comprimento total percorrido pela

Figura 3 – Especificação da ferramenta de acordo com o catálogo do fabricante (a); suporte (b); pastilha (c); suporte utilizado para usinagem das bordas da placa (d); suportes (e) e (f)

ferramenta nas bordas, foram observadas as trajetórias de trabalho e de retorno da ferramenta, conforme figura 5.

As dimensões de trabalho da placa são: 904 x 50 mm, levando em consideração que são dois lados percorridos pela ferramenta de corte. Foram dados 134 passes com o comprimento de 904 mm, com o avanço de trabalho de 400 mm/min e 133 passes de 944,75 mm (904 + 20 + 20,75) com o avanço rápido de 5.000 mm/min. Assim teremos um comprimento total Lt₁ e Lt₂:

Lt₁= 904 x 134

Lt₂= 944,75 x 133

Figura 4 – Sentido de corte e avanço da fresa na face da placa

Lt₁= 121.136 mm

Lt₂= 125.652 mm

O tempo de usinagem (Tu) percorrido com a ferramenta usinando segundo os respectivos avanços foi:

T_u = 121.136/400 + 125.652/5000

Onde:

T_u = 327,97 min ou 5h28min

Análise metalográfica dos cavacos

O ataque foi realizado no Laboratório de Química do Centro Universitário de Volta Redonda (UniFoa) por meio do uso de ácido perclórico e cromato de potássio.

As figuras 6a, b, c, d, e e f (pág. 38) exibem os cavacos do níquel com morfologia de material com dureza intermediária, ou seja, ora com característica de cavaco contínuo, ora em forma de lascas. Outra observação foi a de que, no processo de ataque dos cavacos, o níquel apresentou grãos não uniformes antes da zona cisalhada do cavaco e, próximo das bordas segmentadas, revelou cortes entre lamelas ou porções cisalhadas.

Esses fenômenos aconteceram em algumas porções. Já outros cavacos apresentaram comportamento contínuo, típicos de cavacos de ligas de alumínio, ou seja, sem definições de grãos e fases.  Este comportamento torna difícil a usinagem, pois algumas regiões são encruadas e duras. O níquel, diferentemente do alumínio, tem ponto de fusão mais elevado em aproximadamente 1.453oC. Considerado dúctil, na usinagem não absorve a energia de deformação, ou seja, encrua e desgasta as ferramentas de corte.

A figura 7 (pág.38) mostra o cavaco do cobre usinado. Pode ser observado que as fases se confundem, sem o delineamento dos grãos provocado pelo recalque e deformação plástica excessivos. É possível ver ainda, nas bordas do cavaco, que a fase mais clara foi predominante e esse fenômeno pode ser provocado pelo calor local ou pela diferença de dureza das fases. Essa dúvida poderia ser resolvida pela medida de microdureza, o que não foi possível.

Para reforçar essa hipótese, a figura 8 (pág. 38) mostra a morfologia dos cavacos recolhidos, contínuos e

Figura 5 – Sentido de corte e avanço da fresa nas bordas da placa

Figura 6 – Cavaco de níquel da camada depositada no substrato cobre (40x) atacado com ácido perclórico e cromato de potássio (a); imagens dos cavacos da região longitudinal do primeiro passe da chapa revestida (b), (c), (d), (e) e (f)

alguns com forma em espiral e em fita, características de materiais dúcteis ou de alta deformação e difíceis de usinar.

Para as análises das condições de fresamento foram utilizados três passes para o faceamento devido à preocupação com o processo e com a otimização. O tempo elevado de fabricação e a análise foram necessários para a variação dos parâmetros que demonstram

Figura 7 – Cobre atacado quimicamente com ácido perclórico e cromato de potássio (40x)

acréscimo significativo na qualidade. Os resultados podem ser

vistos na tabela 1.

Para a rotação de 850 rpm e aumento do avanço até 450 mm/ min, conforme a tabela anterior, há uma tendência no aumento da dureza. Por essa razão, esses parâmetros não seriam adequados em uma situação desejável de acabamento. Desse modo, percebe-se que a variável a ser considerada é o avanço e sua fundamental contribuição mecânica no encruamento durante a usinagem da camada de níquel.

Como vários autores confirmam, a hipótese do aumento do contato peça-ferramenta e da espessura do cavaco, além dos efeitos térmicos que o avanço provoca, também

Figura 8 – Morfologia dos cavacos resultantes do fresamento do cobre

induz a maiores valores para a dureza e, proporcionalmente, a uma rugosidade mais elevada.

Um novo fornecedor e uma nova classe de pastilhas mais resistentes foram testados, além de um novo suporte que utiliza pastilhas com mais arestas de cortes, conforme a figura 9 (pág. 40).

Neste teste foi gerado um relatório com o rendimento das pastilhas utilizadas, conforme a figura 10 (pág. 40). Ele foi gerado no centro de usinagem junto ao programa do próprio fornecedor.

Por meio dele, observa-se um maior o ganho de eficiência da pastilha de outro fornecedor, com relação a rendimento, vida útil e tempo de usinagem.

Para usinagem das bordas não foi apresentado um novo teste com pastilhas. Buscou-se trabalhar com os próprios parâmetros de corte e com mudança de programação da usinagem. A redução do tempo de usinagem era o alvo desejado pela empresa, pois era fator muito elevado nos custos (Tu

Figura 9 – Suporte e pastilha utilizados

Figura 10 – Diagrama comparativo extraído do relatório fornecido pela empresa

igual a 5h28min). Portanto, uma nova programação foi realizada com o objetivo de eliminar os passos de retorno da ferramenta, o que aumentou o incremento na profundidade de cada passe, mudando para 1,5 mm, conforme a figura 11.

As dimensões de trabalho da placa não foram alteradas: 904 x 50 mm, levando-se em consideração novamente que são dois lados percorridos pela ferramenta de corte. Houve uma grande mudança de 134 passes (com o comprimento de 904 mm, com o avanço de trabalho de 400 mm/min) e 133 passes de 944,75 mm (904 + 20 +20,75) com o avanço rápido (5.000 mm/min), para 68 passes com o comprimento de 904 mm, com o avanço de trabalho (a_t = 400 mm/min).

L_t = 904 x 68

L_t = 61.472 mm

Figura 11 – Trajetória e deslocamento da ferramenta na chapa

O tempo de usinagem (T_u) percorrido com a ferramenta usinando será:

T_u = L_t/a_t

T_u = 61.472/400

T_u = 153,68 min ou 2h34min

Conclusão

Conclui-se que o cavaco do níquel ficou em forma de espiral devido à sua tenacidade, ductilidade e aos parâmetros de corte utilizados. O formato em hélice curta e vírgula ocorreu devido à pequena relação entre a profundidade de corte e o aumento no avanço, assim como pela natureza do níquel.

O comprimento dos cavacos de níquel foi influenciado pelo avanço e este, por sua vez, afetou o acabamento superficial e o tempo de vida útil da ferramenta. Os valores de microdureza medidos na seção transversal da peça após a usinagem oscilaram em menos de 10% das extremidades ao centro, porém, com o aumento do avanço, a dureza aumentou aproximadamente 2,5% a cada passe. A elevação do avanço no segundo e no terceiro passe fez o desgaste (v_b) da pastilha aumentar. Para obter o melhor acabamento e a redução dos valores da dureza, o aumento do avanço é prejudicial, devido ao comprimento do cavaco. Com a modificação dos parâmetros de corte e de programação, o tempo foi reduzido significativamente na usinagem das bordas: passou de 5h28min para 2h34min, uma redução de aproximadamente 53%.

Com os testes realizados com o suporte e a pastilhas do novo fornecedor, houve uma redução do tempo total de usinagem de 41,31 min para 30,62 min, o que representa uma redução aproximada de 26% em relação à face.

A adoção dos produtos de um novo fornecedor levou à redução do tempo gasto e dos custos com as pastilhas. Além disso, a pastilha tem dez arestas a mais de corte, passando de quatro para 14, além de manter o mesmo padrão de acabamento com o custo anterior (viabilidade econômica).

Referências

1] Cecconello, E. L. S.: Morfologia e porosidade de níquel eletrodepositado em cobre. Dissertação, 113 p., UFMG, Belo Horizonte, MG, 2006.

2] Dabade, U. A.; Joshi, S. S.; Ramakrishnan, N.: Analysis of surface roughness and chip cross- sectional area while machining with self-propelled round inserts milling cutter. Journal of Materials ProcessingTechnology, v. 132, 2003.

3] Diniz, A. E.; Marcondes, F. C.; Coppini, N. L.: Tecnologia da usinagem dos materiais. 3 ed., Artliber Editora, São Paulo, 2012.

4] Ebrahimi, F.; Bourne, G. R.; Kelly, M. S.; Matthews, T. E.: Mechanical properties of nanocrystlline nickel produced by electrodeposition. Nano Structured Materials. v. 11, no. 3; p. 343-350, 1999.

5] Ferraresi, D.: Fundamentos da usinagem dos metais. Edgard Blucher, São Paulo, 1977.

6] Mitsubishi Materials: Tooling Technology. 1 ed., p. 26-27, português, 2007.

7] Schroeter, R. B.; Weingaertner, W. L.; Macedo, S. E. M.: Análise de forças no fresamento de topo reto. Máquinas e Metais, p. 130-139, 2001.